ATIK DÖKÜM KUMUNUN HAZIR BETONDA

Journal of Engineering and Natural Sciences
Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi
Sigma 31,
517-528,
2013
Research Article / Araştırma Makalesi
INVESTIGATION OF USABILITY OF WASTE FOUNDRY SAND IN READYMIXED CONCRETE
Hatice Merve BAŞAR*1, Nuran DEVECİ AKSOY2
1
2
TÜBİTAK, Marmara Araştırma Merkezi, Çevre ve Temiz Üretim Enstitüsü, Gebze-KOCAELİ
İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Ayazağa-İSTANBUL
Received/Geliş: 22.05.2013 Accepted/Kabul: 13.08.2013
ABSTRACT
Concrete is the most widely used man-made material in the world. Aggregate owing to 75% proportion in the ready-mixed
concrete (RMC) is an important component; but its natural resources are in the limit of extinction. Thus, the usage of
industrial wastes together with aggregates in RMC production will be helpful in overcoming problems related to possible
aggregate demand in the upcoming years. In this study, the usability of waste foundry sand (WFS) in the production of RMC
was carried out. Concrete specimens were prepared using 0% (control), 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 75% and 100% WFS by
weight as replacement of silica sand and the mechanical, leaching and micro-structural properties of WFS-based RMC
products. In order to determine the performance of fresh and hardened concrete specimens prepared by
solidification/stabilization (S/S) process as two control and seven concrete specimens and performed at four different curing
periods; physical and mechanical properties such as slump, unit weight, temperature, setting time, compressive and tensile
splitting strength, modulus of elasticity, water absorption ratio and density were examined and the most suitable replacement
ratio was determined as 20%. Leachability characteristics of the solidified concrete specimens at three different pH conditions
were also observed. Furthermore, micro-structural properties of both control concrete and concrete having 20% WFS were
investigated by using XRD, XRF, SEM and EDS techniques. As a result, it's suggested that WFS can be effectively utilized in
the production of RMC by a maximum of 20% replacement instead of fine aggregates with no adverse physical, mechanical,
environmental and micro-structural impacts.
Keywords: Waste foundry sand, ready-mixed concrete, recovery, solidification/stabilization.
ATIK DÖKÜM KUMUNUN HAZIR BETONDA KULLANILABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI
ÖZET
Beton, dünyada yaygın olarak kullanılan sentetik bir üründür. Hazır beton içerisinde %75 oranında bulunan agrega önemli bir
bileşendir; ancak, doğal kaynakları giderek tükenmektedir. Bu nedenle, endüstriyel atıkların hazır beton imalatında
agregalarla birlikte kullanımının, ileride yaşanması olası agrega ihtiyacının karşılanmasına yardımcı olacağı düşünülmektedir.
Bu çalışmada atık döküm kumunun (ADK) hazır beton üretiminde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Silika kumu ağırlıkça %0
(şahit), %10, %20, %30, %40, %50, %75 ve %100 oranlarındaki ADK'yla ikame edilerek beton karışımlar hazırlanmış ve
ADK-esaslı hazır beton ürünlerinin mekanik, sızma ve mikro-yapısal özellikleri incelenmiştir. Solidifikasyon/stabilizasyon
(S/S) prosesi ile iki şahit ve yedi farklı ikame oranında hazırlanan ve dört farklı kür süresi uygulanan taze ve sertleşmiş
betonların performanslarını belirlemek üzere; çökme, birim ağırlık, sıcaklık, priz süresi, basınç ve yarmada çekme dayanımı,
elastisite, su emme oranı ve yoğunluk gibi fiziksel ve mekanik özellikleri incelenmiş ve en uygun ikame oranı %20 olarak
belirlenmiştir. Katılaşmış beton ürünlerinin üç farklı pH'taki sızma davranışları da incelenmiştir. Ayrıca, şahit ve %20 ADK
içeren beton örneklerinin mikro-yapısal özellikleri XRD, XRF, SEM ve EDS teknikleri ile araştırılmıştır. Sonuç olarak,
ADK'nın fiziksel, mekanik, çevresel ve mikro-yapısal açıdan olumsuz bir etkiye sebep olmaksızın hazır beton üretiminde ince
agrega yerine maksimum %20 ikame oranında etkin bir şekilde kullanılabileceği önerilmiştir.
Anahtar Sözcükler: Atık döküm kumu, hazır beton, geri kazanım, solidifikasyon/stabilizasyon.
*
Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: [email protected], tel: (262) 677 29 74
517
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
Sigma 31, 517-528, 2013
1. GİRİŞ
Modern yaşam, sağlıklı kentleşme ve sağlam yapılaşmanın gereklerinden biri de modern inşaat
teknolojileriyle birlikte "hazır beton" kullanımıdır. Hazır beton sektörü, ülkemizde lokomotif
konumunda yer alan inşaat endüstrisinin alt kolu ve temel taşlarından biri olmakla birlikte diğer
ülkelerle karşılaştırıldığında oldukça yenidir. Ülkemizde ilk hazır beton üretimi 1976'da
Ankara'da başlamıştır [1]. Hazır beton; kullanıcı olmayan şahıs veya kuruluş tarafından
hazırlanarak taze halde teslim edilen plastik ve sertleşmemiş betondur [2]. Hazır beton hacimce
%75 agrega, %10 çimento ve %15 sudan oluşmakta olup yüksek miktarda agrega (kum, çakıl,
kırma taş vb.) tüketilmektedir. Ülkemizde sadece hazır beton için agrega ihtiyacının 140 milyon
ton/yıl olduğu ve bunun gelecekte daha da artacağı düşünüldüğünde, endüstriyel atıkların (yüksek
fırın cürufu, uçucu kül, döküm kumu vb.) hazır betonda agregayla birlikte kullanılabilirliğinin
ortaya konulmasının, hazır beton sektöründe ileride yaşanması olası agrega ihtiyacının aşılmasına
yardımcı olacağı düşünülmektedir.
Döküm kumu, kararlı fiziksel özelliklere sahip yüksek kaliteli silika kumudur. Demir ve
demir dışı döküm endüstrisinin yan ürünüdür ve termal iletkenliği, ergimiş metalin ısı ve
basıncına karşı direnç göstermesi ve ekonomik oluşundan ötürü dökümhanelerde kum kalıplarda
kullanılmaktadır [3, 4, 5]. Kalıplar her dökümden sonra açılarak döküm kumundaki büyük
parçalar elenip uzaklaştırılmakta ve azalan kum kadar sisteme yeni kum eklenmektedir [3, 6].
Döküm kumu belli bir çevrimden sonra kalıplarda kullanılamaz hale gelir ve "atık döküm kumu
(ADK)" olarak dökümhaneden uzaklaştırılır [7, 8, 9]. Bunun sebepleri; kumun fiziksel ve
kimyasal bozulması, döküm sırasında 1500oC’lik ergimiş metale maruz kalması [10], kumdaki
bentonitin bağlayıcılık özelliğini kaybetmesi ve mekanik aşınmadan dolayı kum tanelerinin
direncinin kırılmasıdır [11]. ADK temelde ince agregadır, bu nedenle doğal kum yerine pekçok
uygulamada kullanılarak doğal kaynak korunumunu sağlayacaktır [12]. Çeşitli araştırmacılar,
ADK'nın geoteknik (bent, yapısal-akışkan dolgu, düzenli depo örtüsü, geçirimsiz perde), imalat
ürünü (Portland çimentosu, harç, asfalt betonu, tuğla-briket, parke taşı), karayolu inşaatı (yol altüst temel malzemesi, bitümlü asfalt) ve tarımsal uygulamalarda (kompost, yüzey örtüsü)
kullanılabilirliğini ortaya koymuşlardır [3, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25,
27, 28]. Buna karşın, ülkemizde ADK geri kazanım uygulamaları oldukça yetersizdir, ADK
genellikle düzenli depolamayla bertaraf edilmektedir [29]. Ülkemizdeki sınırlı gerikazanım
uygulamalarında ise ADK'nın çoğunlukla depo saha örtüsü olarak kullanıldığı, az bir miktarının
ise mühendislik alanlarında (Portland çimentosu, parke taşı, bordür ve beton park-bahçe
mobilyalar) değerlendirildiği belirtilmektedir [30]. Bu durum, ADK'nın olası kullanım
alanlarındaki bilgi ve araştırma eksikliğinden ileri gelmektedir. Ayrıca, endüstriyel atıkların farklı
mühendisliklerde tekrar kullanımıyla ilgili yasal ve bürokratik düzenlemeler ile teşvik
mekanizmasındaki yetersizlikler de ADK geri kazanım potansiyelini yavaşlatmaktadır [9]. İnce
agrega yerine belli ikame oranlarında ADK kullanılarak beton vb. ürün eldesine yönelik
çalışmalar incelendiğinde, genellikle bağlayıcı olarak Portland çimentosu kullanıldığı ve ürünlerin
sadece fiziksel ve mekanik özellikler (kalite, performans) açısından incelendiği, buna karşılık
çevresel etkiler açısından çok fazla irdelenmediği görülmüştür [3, 9, 12, 19, 25, 31, 32, 33].
Halbuki endüstriyel atık olan ADK'nın farklı mühendislik uygulamalarında çevresel etkiler
açısından da değerlendirilmesi, AB'ye üyelik müzakerelerinde çevrenin en zorlu alanlardan
olduğu ve çevre korunmasının AB'nin temel önceliklerinden olduğu düşünüldüğünde, ayrı bir
önem arz etmektedir. Bu çalışmanın amacı, ülkemizde sınırlı sayıda yeniden kullanım
uygulamalarına ışık tutacak şekilde, geri kazanım yöntemi olan solidifikasyon/stabilizasyon (S/S)
teknolojisi ile yapı endüstrisine yönelik hazır beton eldesinin ve bu ürünün betonarme yapılarda
kullanılabilirliğinin araştırılması, bu kapsamda elde edilen katılaştırılmış ürünlerin hem ürün
kalitesi (fiziksel ve mekanik özellikler), hem çevresel etkiler, hem de mikro-yapısal özellikler
açısından değerlendirilmesi ve nihai ürünlerin ilgili Çevre Mevzuatı Yönetmelikleri ve Türk
Standartlarındaki kriterlerle karşılaştırılmasıdır. Bu sayede, dökümhanelerde yüksek miktarda
518
Investigation of Usability of Waste Foundry Sand in …
Sigma 31, 517-528, 2013
çıkan ve mevcut durumda düzenli depolanarak bertaraf edilen ADK’nın üniversite-sanayi
işbirliğiyle, hazır beton sektöründe kullanılabilirliğinin araştırılması planlanmıştır.
2. MATERYAL VE YÖNTEM
2.1. Kullanılan Materyaller
Çalışmada kullanılan ADK, Marmara Bölgesi'nde faaliyet gösteren bir dökümhane tesisinden
temin edilmiş olup silika kumu (ince agrega) yerine kullanılmıştır. TS 706 EN 12620+A1:2009Beton agregaları standardına göre silika kumu ve ADK özellikleri Çizelge 1'de verilmiştir.
ADK'nın silika kumuna göre metilen mavisi değeri ve hafif organik kirletici içeriği yüksek, kum
eşdeğeri düşük tespit edilmiş olup potansiyel tehlike arz edebilir agrega olarak belirlenmiştir.
Ancak, ADK'nın belli ikame oranında silika kumu ile karıştırılması suretiyle, hazır betonda ince
agrega olarak kullanımının uygun olacağı düşünülmektedir.
C) Kimyasal
Özellikler
B) Fiziksel
Özellikler
A) Geometrik Özellikler
Çizelge 1. Agrega özelliklerinin TS 706 EN 12620+A1:2009’a göre karşılaştırılması
Parametre
Agrega türü
Tane sınıfı, mm
Elek açıklığı, mm
2
Tane
1
büyüklük
0.5
dağılımı
0.250
0.125
0.063
Çok ince malzeme, %
Kum eşdeğeri, %
Metilen mavisi değ., g/100g
Yoğunluk, kg/m3
Su emme oranı, %
Gevşek yığın yoğ., kg/m3
Kuruma büzülmesi,%
Alkali-silika reaktifliği
Suda çöz. Cl- iyonu, %
Asitte çözünebilen sülfat, %w
Toplam kükürt, %w
Asitte çözünebilen sülfit, %w
Humus muhtevası
Fulvo asit muhtevası
Hafif organik kirleticiler, %
Silika kumu
İnce agrega
0-4
Elekten geçen, %w
97
95
78
28
2.11
2.02
2.27
89.09
0.08
2650-2700
0.7
1390
0.02-0.03
Tehlikesiz
0.06
0.02-0.03
0.04-0.06
0.03
Yok
Yok
0.20
ADK
İnce agrega
0-4
Elekten geçen, %w
100
99
94
35
16
13.2
13.2
32
0.85
2510
0.9
1160
0.054
Potansiyel tehlike arz edebilir
0.09
0.15
0.11
0.1
Yok
Yok
4.5
Silika kumu ve ADK'nın kimyasal bileşimi Çizelge 2'de verilmiştir. ADK'nın SiO2
içeriği, yapısındaki katkı maddeleri (bentonit, kömür tozu vb.) nedeniyle daha düşük tespit
edilmiştir. Bütün hazır beton ürünlerinde bağlayıcı olarak CEM I 42.5R Portland çimentosu (TS
EN 197-1:2002), su, ADK ve agrega olarak mıcır, taş tozu, silika kumu ve ADK kullanılmıştır.
Hazır betonların işlenebilirliğini belli bir seviyede tutmak üzere karışımlara iki farklı melaminbazlı ticari süper akışkanlaştırıcı (EPO515 ve EPO SP954) da ilave edilmiştir.
519
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
Sigma 31, 517-528, 2013
3. DENEYSEL ÇALIŞMA
3.1. Hazır Beton Karışımlarının Hazırlanması
Hazır beton karışımları iki şahit (M0A, M0B) ve yedi farklı ikame oranında (M1A-M3A ve M1BM4B) TS EN 206-1:2002'ye uygun hazırlanmıştır. İlk örnekler %50, %75 ve %100 ikame
oranında ADK ile hazırlanmış; yüksek ADK miktarının beton özelliklerini olumsuz
etkilemesinden ötürü, %10, %20, %30 ve %40 ikame oranında yeni karışımlar hazırlanmıştır.
Çizelge 2. ADK ve silika kumu kimyasal bileşimi
Bileşen
ADK
(%)
Silika
kumu (%)
Bileşen
ADK
(%)
Silika
kumu (%)
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
0.764
1.974
10.412
81.851
0.068
0.156
1.887
97.379
SO3
K2O
CaO
Cr2O3
0.842
0.494
1.210
0.025
0.016
0.164
0.062
0.022
Bileşen
ADK
(%)
Silika
kumu (%)
Fe2O3
ZnO
Cl
LOI (%)
1.818
0.018
0.071
6.93
0.137
0.001
0.009
0.14
Beton karışımlarda, su ihtiyacını azaltmak üzere süper akışkanlaştırıcı eklenmiştir. İlk
denemelerde (M1A-M3A) EPO515, ikinci denemelerde (M1B-M4B) EPO SP954 (daha etkin)
süper akışkanlaştırıcı seçilmiştir. Şahit numunelerin TS EN 206-1:2002'ye göre 28 günlük basınç
dayanımları 30 ve 37 MPa olacak şekilde ayarlanmış, çalışmada uygulanan ikame oranları ve
bileşen miktarları Çizelge 3'te verilmiştir. Hazır beton harçları laboratuvar tipi betoniyerde
homojen ve uniform bir görünüm kazanıncaya kadar karıştırılmış, kübik standart kalıplara
(15x15x15 cm) yerleştirilmiş ve priz süresi tamamlanan numuneler 20oC’deki kür havuzunda 7,
28, 56 ve 90 günlük küre tabii tutulmuştur. S/S teknolojisinin etkinliğini belirlemek üzere fiziksel,
mekanik, çevresel ve mikro-yapısal özellikler incelenmiştir.
Çizelge 3. S/S amaçlı uygulanan ikame oranları ve bileşen miktarları
Bileşenler
M0A
3
M1A
M2A
M3A
M0B
M1B
M2B
M3B
M4B
Çimento, kg/m
350
350
350
350
350
350
350
350
350
Mıcır 1, kg/m3
494
494
494
494
494
494
494
494
494
Mıcır 2, kg/m3
514
514
514
514
514
514
514
514
514
442.24
221.12
110.56
0
442
397.8
353.6
309,4
176.8
ADK, kg/m3
0
221.12
331.68
442.24
0
44.2
88.4
132.6
176.8
ADK, %
0
50
75
100
0
10
20
30
40
359
359
359
359
359
359
359
359
359
Su, kg/m3
181.08
228.4
244.8
280
159.44
180
183.2
184.7
187.4
Su/çimento oranı
0.517
0.653
0.7
0.8
0.55
0.514
0.524
0.528
0.535
Silika kumu, kg/m3
Taş tozu, kg/m3
Akışkanlaştırıcı, kg/m3
0
0
0
0
6.32
6.32
6.32
6.32
6.32
Priz başlama, sa.
4.33
4.42
4.58
5
4.33
4.5
4.67
4.83
5.17
Priz sonlanma, sa.
7.33
7.42
7.58
8.5
7.33
7.5
7.5
7.75
8
19
18
19.5
19
19
18
20
19.5
20
2370
2353
2335
2318
2410
2406
2360
2376
2361
Çökme (Slamp), cm
Taze beton birim ağ,
kg/m3
3.2. Taze ve Sertleşmiş Beton Özellikleri
Taze betonlarda çökme (TS EN 12350-2:2010) ve birim ağırlık (TS 2941:1978) değerleri Çizelge
3'te verilmiştir. Karışımların birim ağırlıklarında belirgin bir değişim görülmemektedir. Aynı
520
Investigation of Usability of Waste Foundry Sand in …
Sigma 31, 517-528, 2013
çökme sınıfı (S4; çökme: 16-21 cm) için ADK oranı arttıkça su/çimento (s/ç) oranlarında
yükselme tespit edilmiştir. Bunun nedeni, ADK’daki bentonit vb. ince partiküllerin, taze betonun
akışkanlığını azaltması ve su ihtiyacını arttırmasıdır. Ayrıca, ikame oranı arttıkça priz sürelerinde
gecikme olduğu tespit edilmiştir. ADK'daki kömür tozunun varlığı ve çimento-agrega
aderansındaki zayıflama, çimento hidratasyonunda gecikmeye yol açmaktadır [25]. Buna rağmen,
ADK içeren beton karışımların priz sürelerinin şahit denemelerle benzerlik arz ettiği gözlenmiştir.
Hazır betonların fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek üzere basınç dayanımları (TS EN
12390-3:2010), yarmada çekme dayanımları (TS EN 12390-6:2010), elastisiteleri (TS 500:2000),
su emme oranları (TS EN 480-11:2008) ve yoğunlukları (TS EN 12390-7:2010) analiz edilmiştir.
3.3. Sızma (Liç) Testi
ADK, TS EN 12457-4:2004’e uygun sızma testine tabii tutulmuş, analiz sonuçları “Atıkların
Düzenli Depolanmasına Dair Yönetmelik (ADDDY)-EK 2” limit değerleri ile karşılaştırılarak
Çizelge 4’te verilmiştir. Ni, Cr, Zn derişimi Varian AAS ile, F- içeriği Dionex ICS-1000 İyon
Kromatografi cihazı ile, TÇKM gravimetrik yöntemle, TOK ve ÇOK içeriği Shimadzu TOC-V
TOK analizöründe tespit edilmiştir [34]. ÇOK derişiminin I. Sınıf; Cr, Ni, Zn, F-, TÇKM ile TOK
içeriğinin II. Sınıf; diğer parametrelerin ise III. Sınıf depolama sınır değerlerine uygun olduğu
saptanmıştır. Hazır betonlar, çevresel etkilerinin ve farklı doğa koşullarındaki davranışlarının
incelenmesi amacıyla farklı pH’larda (5.5; 9; 4) TS EN 12457-4:2004 sızma testine tabii
tutulmuşlar; eluatta ÇOK, Ni, Zn, Cr, TÇKM, F- ile orijinal katıda TOK değişimleri izlenmiştir.
Çizelge 4. ADK sızma testi sonuçları
Orijinal Atık
Eluat (Sıvı/Katı=10 L/kg)
Parametre
As, mg/L
Ba, mg/L
Cd, mg/L
Cr, mg/L
Cu, mg/L
Hg, mg/L
Mo, mg/L
Ni, mg/L
Pb, mg/L
Sb, mg/L
Se, mg/L
Zn, mg/L
Cl-, mg/L
SO4=, mg/L
F-, mg/L
ÇOK, mg/L
TÇKM, mg/L
Fenol, mg/L
TOK, mg/kg
BTEX, mg/kg
PCB, mg/kg
Mineral yağ, mg/kg
Kızdırma kaybı LOI %
ADK
0.05
1.74
0.0005
0.12
0.12
<0.0005
0.007
0.14
0.043
0.0004
0.006
0.593
11.38
37.53
1.89
89.4
4731
0.09
45601
0.18
<0.01
123.54
6.93
521
ADDDY-EK2 limit değerleri
III. Sınıf
II. Sınıf
I. Sınıf
0.05
0.2
2.5
2
10
30
0.004
0.1
0.5
0.05
1
7
0.2
5
10
0.001
0.02
0.2
0.05
1
3
0.04
1
4
0.05
1
5
0.006
0.07
0.5
0.01
0.05
0.7
0.4
5
20
80
1500
2500
100
2000
5000
1
15
50
50
80
100
400
6000
10000
0.1
30000
50000
60000
6
1
500
%10
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
Sigma 31, 517-528, 2013
3.4. Mikro-yapısal Özellikler
Hazır beton ürünlerinin kalitatif mineralojik yapısı Shimadzu-XRD 6000 X-Işını Difraksiyonu
(XRD) ile, kimyasal bileşimdeki elementlerin yarı kantitatif analizi Philips PW-2404 X-Işını
Floresans Spektrometresi (XRF) ile tespit edilmiştir. Morfolojik karakterizasyon JEOL 6335F
Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile belirlenmiş; ayrıca, ürünler Enerji Dispersif X-Işını
Spektroskopisi (EDS)’nde yarı-kantitatif mikroanalitik yöntemle kimyasal olarak da
incelenmiştir.
4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
4.1. Basınç Dayanımı ve Elastisite Testi Sonuçları
Basınç dayanımı (MPa)
S/S işlemi tamamlanan iki şahit ve yedi farklı ikame oranında hazır betonların 7, 28, 56 ve 90
günlük basınç dayanımları Şekil 1'de verilmiştir.
7 gün
28 gün
56 gün
90 gün
48
44
40
36
32
28
24
20
16
İkame oranı %
Şekil 1. Basınç dayanımı analiz sonuçları
İlk denemelerde (M1A-M3A) klasik süper akışkanlaştırıcı (EPO515) kullanılarak
C25/30 sınıfı hazır beton imal edilebilirliği araştırılmıştır. TS EN 206-1:2002’ye göre C25/30
sınıfı beton için (28 günlük) basınç dayanımının 30-37 MPa, C30/37 sınıfı beton için ise 37-45
MPa olması istenmektedir. %50, %75 ve %100 ikame oranında hazırlanan beton numunelerinde
C25/30 sınıfı basınç dayanımına ulaşılamamış, deneyler daha düşük ikame oranlarında
tekrarlanmıştır. İkinci denemelerde (M1B-M4B) su kesmesi daha yüksek ve etkin bir süper
akışkanlaştırıcı (EPO SP954) kullanıldığı için, C25/30 beton sınıfı reçete ile C30/37 sınıfı
değerlerine ulaşılmıştır. İkame oranı arttıkça basınç dayanımında azalma meydana gelmektedir
[19, 22, 25, 31]. Kür zamanı uzadıkça dayanımın arttığı görülmüş, M1B ve M2B numunelerinin
28 günlük basınç dayanımları >37 MPa ölçülmüştür. ADK arttıkça dayanımın azalma sebebi, ince
partikül yüzey alanının artmasından ötürü su-çimento jel oluşumunu azaltması ve agrega-çimento
hamuru arasında uygun bağlanma gerçekleşememesidir. Ayrıca, ADK’daki karbon ve bentonit de
basınç dayanımını azaltmaktadır [3, 35, 36]. Beton basınç dayanımı bilindiğinde elastisite
3250
14000
eşitliğinde; Ecj;
modülü, TS 500:2000’e göre belirlenebilmekte;
j günlük betonun elastisite modülünü (MPa), fckj ise j günlük beton karakteristik basınç
dayanımını (MPa) ifade etmektedir. Elastisite modülü 7, 28, 56 ve 90 günlük kür süreleri için
Çizelge 5'te hesaplanmıştır. İkame oranı arttıkça elastisite modülünde azalma gözlenmektedir
[25]. Kür zamanı uzadıkça elastisite artmıştır.
522
Investigation of Usability of Waste Foundry Sand in …
Sigma 31, 517-528, 2013
Çizelge 5. Elastisite modülü değerleri
Örnek
M0A
M1A
M2A
M3A
7 gün
31712
29244
28893
27401
Elastisite modülü, MPa
28 gün
56 gün
32782
33742
31043
32951
30667
30825
29688
29822
90 gün
34034
33500
31502
30087
Örnek
M0B
M1B
M2B
M3B
M4B
7 gün
34861
33689
32867
32095
31712
Elastisite modülü, MPa
28 gün
56 gün 90 gün
35361
35777
35922
34987
35583
35705
34606
35187
35336
33662
34322
34632
32095
33500
33796
4.2. Yarmada Çekme Dayanım Testi Sonuçları
Yarmada çekme dayanımı (MPa)
Genellikle beton çekme dayanımı, basınç dayanımının %10'udur, beton kalitesi ve yaşına göre
%7-17 arasında değişebilmektedir [37]. S/S işlemi tamamlanan hazır betonların 7, 28, 56 ve 90
günlük çekme dayanımları Şekil 2'de verilmiştir. İkame oranı arttıkça çekme dayanımlarında
azalma olduğu, ADK’nın çekme dayanımını olumsuz etkilediği ve çekme dayanımının basınç
dayanımı ile paralellik gösterdiği gözlenmektedir [22]. Kür zamanı uzadıkça dayanım artmıştır.
5,5
7 gün
28 gün
56 gün
90 gün
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
İkame oranı %
Şekil 2. Yarmada çekme dayanımı sonuçları
4.3. Su Emme Oranı Testi Sonuçları
TS 2824 EN 1338:2005-04 (AC: 2009-02)’e göre; zemin beton kaplama blokları için ≤%6 olan su
emme oranı hazır betonda kullanılabilir. Su emme oranı azaldıkça, kapiler boşluklar azalır, hazır
beton geçirimsizliği ve durabilite (dayanım) artar. ADK'nın su emme oranına etkisi Şekil 3'te
verilmiştir. İkame oranı arttıkça, hazır betondaki boşluklar arttığı için su emme oranı artmaktadır
[31]. M1B ve M2B numunelerinin su emme oranları <%6’dır.
523
Su emme oranı (%)
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
Sigma 31, 517-528, 2013
10
9
8
7
6
5
4
İkame oranı %
28 gün
Şekil 3. ADK'nın su emme oranına etkisi
4.4. Yoğunluk Testi Sonuçları
7 günlük kür süresi sonunda yoğunluk değerleri Çizelge 6'da verilmiştir. Yoğunlukların normal
beton sınıfına (2000-2600 kg/m3) uygun olduğu; ayrıca, ADK’nın yoğunluğu olumsuz etkilediği
gözlenmiştir. Bunun sebebi; ADK’daki kömür tozu, kil ve tozdan ötürü, kullanılan suyun artması
ve ADK’nın silika kumuna göre yoğunluğunun daha az olmasıdır.
Hazır betonların fiziksel ve mekanik özellikleri topluca incelendiğinde, M2B (%20
ikame oranı) numunesinin performans özelliklerinin M0B (şahit) ile paralellik arz ettiği tespit
edilmiştir. %20’den yüksek ikame oranlarında performans özelliklerinde sapma olduğu
gözlenmiştir.
Çizelge 6. 7 günlük yoğunluk değerleri
Örnek
Yoğunluk, kg/m3
M0A
2210
M1A
2130
M2A
2110
M3A
2080
M0B
2280
M1B
2260
M2B
2240
M3B
2210
M4B
2190
4.5. Çevresel Etkilerin Değerlendirilmesi
Hazır betonların TS EN 12457-4:2004 sızma testine göre üç farklı pH’ta belirlenen eluat
konsantrasyonları Çizelge 7’de verilmiştir.
Çizelge 7. Farklı pH’larda eluat değerleri
pH
Örnek
Eluat konsantrasyonları, mg/L
Ni
pH 4
pH 5.5
pH 9
Zn
Cr
F-
TÇKM
ÇOK
ADK
0.14
0.593
0.12
1.89
4731
89.4
M0B
0.018
0.027
0.039
<0.2
<14.3
30.1
M2B
0.021
0.020
0.036
<0.2
<14.3
35.8
M0B
0.007
0.020
0.036
<0.2
<14.3
12.8
M2B
0.003
0.013
0.029
<0.2
<14.3
10.3
M0B
0.006
0.042
0.036
<0.2
<14.3
17.7
M2B
0.004
0.021
0.035
<0.2
<14.3
11.4
Başlangıçta ADK’da TOK değeri 45601 mg/kg iken, farklı ikame oranlarına göre (%0,
%10, %20, %30, %40, %50, %75, %100) sırasıyla; 20690, 24443, 27967, 29504, 31645, 35299,
524
Investigation of Usability of Waste Foundry Sand in …
Sigma 31, 517-528, 2013
40514, 44930 mg/kg’a inmiştir. İkame oranı arttıkça TOK değeri artmakla birlikte tüm betonlarda
TOK içeriği ADK’dakinden düşük çıkmış, S/S yönteminin organik madde sızmasını önlediği
saptanmıştır. Ayrıca, hazır beton numunelerinde hedef metal (Ni, Zn, Cr), F-, TÇKM ve ÇOK
eluat konsantrasyonlarının “ADDDY-EK 2” III. Sınıf (inert atık) kriterlerine uygun olduğu
belirlenmiştir. Sonuç olarak, S/S prosesinin uygulanabileceği ve %20 ikame oranındaki beton
numunesinin (M2B) çevreyi kirletici özelliğinin bulunmadığı tespit edilmiştir.
4.6. Mikro-yapısal Değerlendirme
XRD ile kalitatif analiz neticesinde; M0B ve M2B hazır beton numunelerinin XRD paternleri
Şekil 4'te, XRF ile yarı-kantitatif elementel analiz sonuçları Çizelge 8'de, SEM görüntüleri ve
EDS spektrumları ise Şekil 5’te verilmiştir. Kalitatif, kantitatif, morfolojik ve yarı-kantitatif
mikro analiz sonuçları incelendiğinde, iki hazır beton ürünü arasında mikro-yapısal ve morfolojik
olarak herhangi bir farklılık gözlenmemiştir.
5. VARGILAR VE ÖNERİLER
Bu çalışma, dökümhanelerde yüksek miktarda ortaya çıkan ve mevcut durumda düzenli depolama
yolu ile bertaraf edilen ADK’nın, S/S teknolojisiyle yapı endüstrisine yönelik hazır beton üretimin
de agregalarla birlikte kullanılabilirliğini ortaya koymuştur. ADK'nın bu yolla kullanımı, hazır
beton sektörünün gelecekteki olası agrega ihtiyacını belli oranda karşılayabilecektir. TS 706 EN
12620+A1:2009’a göre ADK’nın belli ikame oranında silika kumu ile hazır betonda
kullanılabileceği belirlenmiştir. Farklı ikame oranlarında ADK ile hazırlanan taze betonların
özellikleri incelendiğinde, ADK oranı arttıkça birim ağırlık değerinin azaldığı, aynı çökme sınıfı
(S4) için s/ç oranının arttığı ve priz sürelerinin geciktiği tespit edilmiştir. İkame oranı arttıkça
basınç dayanımı, yarmada çekme dayanımı ve elastisitede azalma olduğu ve ADK’nın betonun
Şekil 4. XRD paternleri
Çizelge 8. Yarı kantitatif analiz sonuçları
Bileşik
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
P2O5
M0B, %
0.311
2.839
6.408
26.755
0.151
M2B, %
0.259
4.235
6.114
25.77
0.129
Bileşik
SO3
Cl
K2O
CaO
TiO2
M0B, % M2B, %
2.019
1.956
0.086
0.090
1.247
1.047
56.43
56.78
0.290
0.335
525
Bileşik
Cr2O3
Fe2O3
NiO
ZnO
M0B, %
0.047
3.091
0.011
0.016
M2B, %
0.049
2.896
0.014
0.019
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
Sigma 31, 517-528, 2013
(1)
(2)
(2)
M2B
M0B
Şekil 5. SEM görüntüleri ve EDS spektrumları (1) M0B, (2) M2B.
mekanik özelliklerini olumsuz etkilediği, kür zamanı uzadıkça dayanım ve elastisite değerlerinin
arttığı tespit edilmiştir. İkame oranı arttıkça su emme oranında yükselme, yoğunluk değerinde ise
düşme saptanmıştır. M2B numunesinin performans (fiziksel ve mekanik) özelliklerinin M0B ile
paralellik gösterdiği tespit edilmiştir. %20’den yüksek ikame oranlarında ise performans
özelliklerinde sapma olduğu belirlenmiştir. Hazır beton ürünlerinin farklı pH'lardaki sızma testi
sonuçlarına göre; M2B numunesinde ADK'dan gelebilecek eluatta Zn, Ni, Cr, TÇKM, F-, ÇOK
içeriğinin “ADDDY-EK 2” III. Sınıf kabul kriterlerine uygun olduğu saptanmıştır. İkame oranı
arttıkça TOK değeri artmakla birlikte tüm beton numunelerinde TOK içeriği ADK’daki TOK
içeriğinden düşük çıkmıştır. Sonuç olarak, S/S prosesinin uygulanabileceği ve %20 ikame
oranında hazırlanan beton numunesinin (M2B) çevreyi kirletici özelliğinin bulunmadığı tespit
edilmiştir. M0B ve M2B hazır beton numuneleri arasında mikro-yapısal ve morfolojik açıdan
farklılık gözlenmemiştir. ADK'nın hazır beton üretiminde ince agrega yerine maksimum %20
ikame oranında kullanımının fiziksel, mekanik, çevresel ve mikro-yapısal açıdan olumsuz bir
etkiye sebep olmadığı sonucuna varılmıştır. ADK’nın içeriği nedeniyle betonarme yapılarda metal
donatı korozyonuna etkisi araştırılmalı, ADK kullanımının hazır beton üretim prosesine etkisini
değerlendirmek üzere endüstriyel ölçekli çalışmalar yapılmalıdır. Ayrıca, ADK özellikleri
dökümhanelere göre değişim göstereceğinden, farklı kaynaklardan temin edilen ADK’ların aynı
kalitede olması ve sürekliliği sağlanmalıdır.
Acknowledgments / Teşekkür
Çalışmanın laboratuvar analizleri ile desteklerinden ötürü TÜBİTAK MAM'a, ince agrega ve
hazır beton analizleri altyapı hizmetlerinden ötürü İSTON A.Ş. ve THBB’ne teşekkür ederiz.
526
Investigation of Usability of Waste Foundry Sand in …
Sigma 31, 517-528, 2013
REFERENCES / KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
Karakule, F., Akakın, T., Uçar, S. Türkiye'de ve dünyada hazır beton sektörü, Beton 2004
Kongresi, 10-12 Haziran, İstanbul, 2004.
TS EN 206-1. Beton - Bölüm 1: Özellik, performans, imalat ve uygunluk, Türk
Standartları, Ankara, 2002.
Siddique, R., Schutter, G. ve Noumowe, A. Effect of used-foundry sand on the
mechanical properties of concrete, Construction and Building Materials, 23, 976-980,
2009.
Gedik, A., Lav, A.H. ve Lav, M.A. Atık döküm kumlarının yol inşaatında alt temel ve
dolgu malzemesi olarak kullanılması, 3. Uluslararası Döküm ve Çevre Sempozyumu
(IFES 2009), 28-29 Ocak, İstanbul, 2010.
Beeley, P. Foundry Technology, University of Leeds, England, 2001.
Zannetti, M.C. ve Fiore, S. Foundry processes: the recovery of green moulding sands for
core operations, Resources, Conservation and Recycling, 38, 243-254, 2002.
Singh, G., Siddique, R. Effect of waste foundery sand as partial replacament of sand on
the strength, ultrasonic pulse velocity and permeability of concrete, Construction and
Building Materials, 26(1), 416-422, 2012.
Siddique, R., Kaur, G. ve Rajor, G. Waste foundry sand and its leachate characteristics,
Resources, Conservation and Recycling, 54, 1027-1036, 2010.
Guney, Y., Sari, Y.D., Yalcin, M., Tuncan, A. ve Donmez, S. Re-usage of waste foundry
sand in high-strength concrete, Waste Management, 30, 1705-1713, 2010.
Dungan, R.S., Huwe, J. ve Chaney, R.L. Concentrations of PCDD/PCDFs and PCBs in
spent foundry sands, Chemosphere, 75, 1232-1235, 2009.
Dayton, E.A., Whitacre, S.D., Dundan, R.S., Basta, N.T. Characterization of physical and
chemical properties of spent foundry sands pertinent to beneficial use in manufactured
soils, Plant Soil, 329, 27-33, 2010.
Lawrence, D. ve Mavroulidou, M. Properties of concrete containing foundry sand,
Proceedings of the 11th International Conference on Environmental Science and
Technology, 3-5 Eylül, Chania, Greece, 2009.
Kirk, P.B. Field demonstration of highway embankment constructed using waste foundry
sand, Doktora tezi, Purdue University, West Lafayette, IN, US, 1998.
Mast, D.G. ve Fox, P.J. Geotechnical performance of a highway embankment constructed
using waste foundry sand, Geotechnical Special Publication, 79, 66-85, 1998.
Abichou, B.C. ve Edil, T. Database on beneficial reuse of foundry by-products, Recycled
materials in geotechnical applications. In: Vipulanandan, C. ve Elton, D., eds. ASCE
Geotechnical Special Publication, 79, 210-223, 1998.
Başar, H.M., Deveci Aksoy, N., 2013. Pre-treatment of Waste Foundry Sand via
Solidification/Stabilization, Clean-Soil, Air, Water, 41(1), 94-101.
Kleven, J.R., Edil, T.B. ve Benson, C.H. Evaluation of excess foundry system sands for
use as sub-base material, Transportation Research Record, 1714, 40-48, 2000.
Braham, A. The use of blended recycled foundry sand in hot mix asphalt, Interim Report,
University of Wisconsin-Madison, Asphalt Research Group, US, 2002.
Khatib, J.M. ve Ellis, D.J. Mechanical properties of concrete containing foundry sand,
American Concrete Institute special publication, SP-200, 733-748, 2001.
Naik, T.R., Kraus, R.N., Chun, Y.M., Ramme, W.B. ve Siddique, R. Precast concrete
products using industrial by-products, ACI Materials Journal, 101(3), 199-206, 2004.
Fiore, S. ve Zanetti, M.C. Foundry wastes reuse and recycling in concrete production,
American Journal of Environmental Sciences, 3(3), 135-142, 2007.
527
H.M. Başar, N. Deveci Aksoy
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
Sigma 31, 517-528, 2013
Siddique, R., Aggarwal, Y., Aggarwal, P., Kadri, E. H. ve Bennacer, R. Strength,
durability and micro-structural properties of concrete made with used-foundry sand
(UFS), Construction and Building Materials, 25, 1916-1925, 2011.
Kaur, G., Siddique, R., Rajor, A. Micro-structural and metal leachate analysis of concrete
made with fungal-treated waste foundry sand, Construction and Building Materials, 38,
94-100, 2013.
Etxeberria, M., Pacheco, C., Meneses, J.M. ve Berridi, I. Properties of concrete using
metallurgical industrial by-products as aggregates, Construction and Building Material,
24, 1594-1600, 2010.
Monosi, S., Sani, D. ve Tittarelli, F. Used foundry sand in cement mortars and concrete
production, The Open Waste Management Journal, 3, 18-25, 2010.
APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st ed.,
American Public Health Association, Washington, D.C., 2005.
Dungan, S.R., Kukier, U. ve Lee, B. Blending foundry sands with soil: Effect on
dehydrogenase activity, Science of the Total Environment, 357(1-3), 221-230, 2006.
Deng, A. ve Tikalsky, P.J. Geotechnical and leaching properties of flowable fill
incorporating waste foundry sand, Waste Management, 28, 2161-2170, 2008.
Regan, R.W., Heaney, M. ve Dunkelberger, J.A. Weighing sand reuse options from the
customer's perspective, Modern Casting, 87, 45-47, 1997.
Solmaz, P., Benli, B., Lav, M.A., Çelik, M.S. ve Lav, A.H. Atık döküm kumunun
geçirimsiz perde yapılarak tekrar kullanımı, 2. Uluslararası Döküm ve Çevre
Sempozyumu ve Sergisi, 24-26 Ekim, İstanbul, 2007.
TÜDOKSAD. Kişisel görüşme, Türkiye Döküm Sanayicileri Derneği, İstanbul, 2011.
Khatib, J.M, Baig, S., Bougara, A. ve Booth, C. Foundry sand utilisation in concrete
production, 2nd International Conference on Sustainable Construction Materials and
Technologies, 28-30 Haziran, Ancona, Italy, 2010.
Bakis, R., Koyuncu, H. ve Demirbas, A. An investigation of waste foundry sand in
asphalt concrete mixtures, Waste Management Resources, 24, 269-274, 2006.
Yalçın, M., Güney, Y., Koyuncu, H. ve Baş, Ö.F. Atık döküm kumunun betonda
kullanılabilirliği, 5. Ulusal Beton Kongresi, 1-3 Ekim, İstanbul, 2003.
Mroueh, U., Wahlstrom, M. By-products and recycled materials in earth construction in
Finland: An assessment of applicability, Res. Conser. and Recycling, 35, 117-129, 2002.
Naik, T.R., Kraus, R.N., Chun, Y.M., Ramme, W.B., Singh, S.S. Properties of field
manufactured cast-concrete products utilizing recycled materials, Journal of Materials in
Civil Engineering, 15(4), 400-407, 2003.
Erdoğan, T.Y. Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim A.Ş., Ankara, 2007.
528